Dehnbare Mikro-Superkondensatoren: Die Zukunft selbstversorgender tragbarer Gesundheitsgeräte

Aktuelle Versionen von Batterien und Superkondensatoren, die tragbare und dehnbare Gesundheitsüberwachungs- und Diagnosegeräte mit Energie versorgen, haben viele Mängel, darunter geringe Energiedichte und begrenzte Dehnbarkeit.

Eine Alternative zu Batterien sind Mikro-Superkondensatoren – Energiespeicher, die Lithium-Ionen-Batterien in tragbaren Geräten ergänzen oder ersetzen können. Mikro-Superkondensatoren haben einen kleinen Fußabdruck, hohe Leistungsdichte und die Fähigkeit, schnell zu laden und zu entladen; jedoch weisen sie, wenn sie für tragbare Geräte gefertigt werden, eine „Sandwich-ähnliche“ Stapelgeometrie auf, die schlechte Flexibilität, lange Ionen-Diffusionswege und einen komplexen Integrationsprozess bei der Kombination mit tragbarer Elektronik aufweist.

Forscher entwickelten alternative Gerätearchitekturen und Integrationsprozesse, um den Einsatz von Mikro-Superkondensatoren in tragbaren Geräten voranzutreiben. Sie fanden heraus, dass die Anordnung von Mikro-Superkondensator-Zellen in einer schlangenförmigen Insel-Brücken-Anordnung es der Konfiguration ermöglicht, sich an den Brücken zu dehnen und zu biegen, während die Verformung der Mikro-Superkondensatoren – den Inseln – reduziert wird. In Kombination wird die Struktur zu dem, was die Forscher als Mikro-Superkondensator-Arrays bezeichnen. Durch die Verwendung eines Insel-Brücken-Designs beim Verbinden der Zellen zeigten die Mikro-Superkondensator-Arrays erhöhte Dehnbarkeit und ermöglichten einstellbare Spannungsausgänge, sodass das System reversibel um bis zu 100 % gedehnt werden kann.

Durch den Einsatz von nicht-geschichteten, ultradünnen Zink-Phosphor-Nanosheets und 3D-laserinduziertem Graphenschaum – einem hochporösen, selbstheizenden Nanomaterial – zur Konstruktion des Insel-Brücken-Designs der Zellen, beobachtete das Team drastische Verbesserungen in der elektrischen Leitfähigkeit und der Anzahl der absorbierten geladenen Ionen. Dies bewies, dass diese Mikro-Superkondensator-Arrays effizient laden und entladen können und die Energie speichern, die nötig ist, um ein tragbares Gerät zu betreiben.

Die Forscher integrierten das System auch mit einem triboelektrischen Nanogenerator – einer aufstrebenden Technologie, die mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandelt. Diese Kombination schuf ein selbstversorgtes System. Mit dem drahtlosen Lademodul, das auf dem triboelektrischen Nanogenerator basiert, kann Energie basierend auf Bewegungen wie Beugen des Ellenbogens, Atmen und Sprechen geerntet werden.

Durch die Kombination dieses integrierten Systems mit einem graphenbasierten Dehnungssensor sind die energiebewahrenden Mikro-Superkondensator-Arrays – geladen durch die triboelektrischen Nanogeneratoren – in der Lage, den Sensor mit Energie zu versorgen.